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JPH05218386A - 光集積回路 - Google Patents

光集積回路

Info

Publication number
JPH05218386A
JPH05218386A JP4277591A JP27759192A JPH05218386A JP H05218386 A JPH05218386 A JP H05218386A JP 4277591 A JP4277591 A JP 4277591A JP 27759192 A JP27759192 A JP 27759192A JP H05218386 A JPH05218386 A JP H05218386A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
integrated circuit
optical
devices
full
coupling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP4277591A
Other languages
English (en)
Inventor
Anthony F J Levi
フレデリック ジョン レヴィ アンソニー
Samuel L Mccall
レバート マッコール サムエル
Richart E Slusher
エリオット スラッシャー リチャード
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AT&T Corp
Original Assignee
American Telephone and Telegraph Co Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by American Telephone and Telegraph Co Inc filed Critical American Telephone and Telegraph Co Inc
Publication of JPH05218386A publication Critical patent/JPH05218386A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/43—Arrangements comprising a plurality of opto-electronic elements and associated optical interconnections
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G—PHYSICS
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 電子−光集積回路とすべての光回路を含む光
回路の微細化。 【構成】 デバイス及び相互接続導波路の両方を含む高
回路チップ密度を達成するために、非常に薄い層の作製
によりデバイス／間隔寸法を微細化する。作製されるデ
バイス及び導波路中の典型的な層厚は、適切なフォトン
フラックスに対して１／２波長のオーダーの最大値を有
し、クロストークを制限する結果となり、１ないし数波
長のデバイス設計則が可能となる。製品例として下記の
ものを示す。導波路５２及び５３中の入力信号５０及び
５１間のカップリングを起こさせる。電子的又は光学的
な制御５４により、カップリングを起こさせたり除いた
り、カップリングから生じる振幅を変調し、最終的には
スイッチしたり、決められた出力信号５５及び５６を生
じる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明の背景 技術分野 光学要素すなわち能動又は受動要素の高効率動作ととも
に、高ポピュレーション密度を特徴とする電子−光集積
回路とすべての光回路を含む光回路に係る。
【０００２】従来技術の記述 最も大容量の長距離システム中に光通信を用いることの
優位さは、現在確立している。広範囲において努力を集
中させた結果、大容量、低損失伝送の確約という目的を
満足するファイバの有利な生産、設置及び使用が可能に
なった。同様に開発されてはいないが、中、短距離につ
いての状況もあまり異ならない。マイクロストリップ媒
体とともに能動的な背景も、必要条件を満たしつつあ
る。
【０００３】光通信の利点のほとんどは、周辺回路と整
合がとれていない。ほとんどの操作システムは、光通信
と境界をもつエレクトロニクスに依存している。光キャ
リヤの変調、伝送線に挿入すべき光信号の発生、伝送線
端子におけるそのような信号の検出、復調位置における
増幅等はすべて、フォトニクスではなくエレクトロニク
スに依存している。エレクトロニクス−光学系境界にお
ける動作の問題とともに、装置に費用がかかることが、
全光学装置の開発に対する努力を、世界的に誘発してき
た。
【０００４】光伝送系との境界が主な動機であるとみな
すことは適切ではあるが、少なくとも短期的には、光学
系に固有の特性が、光回路に対する努力を誘発してい
る。最終的な目標は、デバイス機能という点で、全光学
系である。現時点及び恐らく将来のある時まで、電子的
バイアス／ポンピングが便利なことは、回路が光−電子
集積回路の形をとることを示唆している。電子的な要素
がある種の機能に対して選択され続ける可能性が大きい
ことは、この結論を支持する。
【０００５】回路密度は伝送路及びたとえば増幅器、ス
イッチ等のデバイスの両方という点で、光ＩＣの開発の
主要な関心事であった。エレクトロニクスが原因である
現象ではほとんどない好ましくない消衰電界の結合が、
隣接する伝送路とデバイス間の間隔を制限している。ほ
とんど最も簡単な機能を果たす光ＩＣチップに対する努
力は、クロストーク及び好ましくない他の結合により妨
げられてきた。そのような効果を減らす努力により、一
般的に数十ミクロン、すなわち真空中で測定した波長の
数十倍の間隔になった。（２つの間隔の測定は、一般的
なＧａＡｓ及びＩｎＰを基礎とするデバイスから得られ
る約０．９ないし１．５５μｍの一般的な動作波長の場
合について、きわめて同様である。約１０μｍの設計則
を用いることにより、ある程度の短期間は従来からの目
的を満たすであろうが、たとえそのレベルであったとし
ても、恐らく約１０μｍ以上の好ましくない結合は、雑
音及びエネルギー／熱放散の両方の点で、除くべきであ
る。
【０００６】本発明の要約 一般的に言って、本発明はＩＣ中に光学系を効果的に組
込むことに係る。そのような集積回路は全光学系か電子
−光学系であるが、好ましくない結合の許容レベルに対
し、高デバイス密度を可能にするため、常に間隙は小さ
く、寸法も小さい。好ましくない結合の最も重大な影響
は、クロストークと言われるもので、信号情報を伝達す
る役割をもつ回路要素中への、好ましくない信号又は
“雑音”入力である。本発明により、間隙／寸法が一般
的に課せられる雑音の制約に適合するようになる。電子
−光学又は全光学という点で、最も重要な実施例は、デ
バイスの相互接続が光学的であるかデバイスそれ自身で
あるという点で、すべての動作をする。たとえば信号輸
送、増幅及び時間的、空間的スイッチングといった各種
機能に役立つデバイスは、信号回路中で電子的境界なし
に、本質的な程度まで相互接続される。エレクトロニク
スは、含まれている範囲内で、一定あるいは意図的に変
化させるバイアス、あるいはレーザーポンピングのため
エネルギーを与えるといった“支援機能”の働きをす
る。
【０００７】要点は述べてきたように、デバイスの寸法
／間隙を小さくし、“全機能”ＩＣ光学系を可能にする
まで減らすことである。典型的な点では、好ましくない
結合、たとえば生じるクロストークは、ＩＩＩ−Ｖ半導
体レーザーから容易に得られる放射波長に対し、約１０
μｍ又は５λ0 の間隙で＜１０％のレベルに保つことが
できる。
【０００８】全ＩＣの一部又は全体を構成する適切な光
学ＩＣ部分は、最も重要であるが、適切な伝搬フォトニ
ックエネルギーに対し、半波長又は好ましくは４分の１
波長の最大寸法（ＩＣ平面に垂直な寸法）の動作層厚を
特徴とする。この寸法は突出した寸法内で高い光学的コ
ントラストを生じるよう材料を選択することにより、物
理的に薄く保たれる。本発明の低結合、高デバイス密度
は、デバイス境界における屈折率差、すなわちデバイス
の内部及び外部における屈折率の値の比を、数値的には
１．５又は好ましくはそれ以上にすることにより、可能
となる。許容される層厚及び他の重要な寸法について
は、通常の動作についての詳細な記述の中で述べる。一
般的に考えられる波長の場合、デバイス動作層厚は、５
００オングストロームないし数千オングストロームの範
囲内にあり、典型的な場合１０００オングストロームな
いし２０００オングストロームである。そのような設計
から生じる導波路の強度により、約１０λ0 又は約５λ
0 より小さな間隙すなわちデバイスとデバイスの間隙だ
けでなく、雑音に対する条件も満たす。加えて、周辺へ
のエネルギー及び電界の周囲への浸透深さが減ることに
より、曲率半径を小さくすることが可能で、それによっ
てさらに設計の柔軟さが増し、同じ与えられたクロスト
ーク／損失で、デバイス密度は更に高くできる。
【０００９】能動及び受動の異なる機能をもつデバイス
を作製するために、デバイス能動層が適切な組成と寸法
をもちうるのは、本発明による。簡単に言うと、考えて
いるデバイスは、部分層から構成されるそのような層を
利用してもよい。そのような“スーパー層”は全体で上
述の厚さをもつが、それぞれがたとえばレーザー構造中
の量子井戸（障壁層で分離されている）から成る部分層
で作られていてもよい。同じスーパー層は、変更しても
しなくても、それ自身他の動作構造に適したり、増強す
ることすらある。“スーパー層”という用語は、多量子
井戸とともに、超格子層を含む意味をもつ。超格子は同
様ではあるが、特定のデバイスに対してはより適してい
るというすでに知られた理由により異なる。詳細な記述
については、ここでは必要ないが、違いはキャリヤの動
作の自由度にある。ＭＱＷ構造の特定のＱＷに一般にキ
ャリヤは閉じ込められるが、超格子中にキャリヤは閉じ
込められない。
【００１０】これから述べる例は、各種の制御に従って
結合させたり結合をはずしたりする能動要素としてもそ
れ自身が働く導波路である。制御はたとえば付随した要
素に対するＱスイッチ空胴への印加電界又はフォトンに
依存する。あるいは、導波路はデバイス材料、すなわち
この例では飽和吸収体として働く材料（導波路材料を含
むとここでは定義される）を飽和させ、それによって
“白くする”。他の例はたとえば共振周波数を変えるた
め、注入キャリヤに対する屈折率の修正を含む。多くの
他の制御機構も既知であり、考えられる。
【詳細な記述】
【００１１】用語の定義 本発明の記述に用いる用語は、かなりの程度まで電気通
信産業で用いられるものである。本発明の指針は、公共
的コンピュータ、テレビジョン通信などとともに、個人
的な通信など他の形の通信を含む広範囲の技術に適用さ
れる。これらのいくつかは、特別の用語として議論に用
いられている。この記述で選ばれた特定の用語は、従っ
て制約するためのものとは見なされない。
【００１２】信号 − デバイス動作の過程で、対象と
する光ＩＣに入力するような情報。一般に符号化されて
おり、処理の指示を含んでもよい。後者はしばしば“ヘ
ッダ”と呼ばれる。信号の他の部分又はもしヘッダを含
まないならば、全体がしばしば“データ流”と呼ばれ
る。
【００１３】制御信号 − 信号の情報量を変えるとと
もに、伝送路の選択、伝送路の方向、振幅に関して、信
号を修正するよう設計された情報。制御信号情報は前の
節で述べたように、“ヘッダ”の形でデータ流とともに
導入してもよい。それとは別に、あるいは加えて、制御
信号情報は対象とするＩＣ部分の基体内の１ないし複数
の要素中に、別々に導入してもよい。制御信号は恐らく
電気的又は光学的であろう任意の適当なエネルギーの形
をとってよい。
【００１４】クロストーク − 厳密に定義すると、好
ましくない結合により、たとえば能動デバイス又は受動
デバイス中に不適切に入力する信号情報をさす。意味の
ある設計要件では、そのような“雑音”が許容される程
度、すなわち多くの用途に対して＜１０％又は好ましく
は５％であるレベル（それ以上の詳細については、詳細
な記述を参照のこと）が重要である。
【００１５】“クロストーク”という用語はしばしば厳
密には定義されず用いられる。すなわち、クロストーク
を生じるデバイスによるエネルギー損失として用いられ
る。これは増幅／再生に対する可能な要求として用いら
れる。たとえば一般的に基板について当てはまるよう
に、信号情報を運んでいない装置との好ましくない結合
という点で、“クロストーク”はエネルギー損失につい
てのみ意味をもつ。
【００１６】全機能回路 − 信号情報が各種の形をと
る回路、回路領域、回路部分をさす。この用語を光ＩＣ
部分に適用するときは、輸送、方向修正、結合、分離、
変調及び増幅のうちの少なくとも３つを含むものとす
る。それは光電子回路とともに、光回路、電子回路の両
方に一般的である。
【００１７】全機能光回路 − 上で述べたとうりであ
るが、考えられる信号処理の少なくとも９５％の形が、
能動光要素、すなわち制御信号により変わる光特性をも
つ要素によるそのような回路をさす。そうでないものと
して、そのような回路中の光デバイス間の輸送は、本質
的に不変であり、それ自身光学的である。
【００１８】信号回路 − 機能回路のその部分をさ
す。たとえば、機能性光回路の一部で、方向変更、結
合、分離（又は出力）、変調、増幅及び入力しつつある
信号の輸送など上述の機能を果たす。この用語は“支持
回路”とは独立の意味で使う。
【００１９】支持回路 − 信号回路を動作させるため
の回路をさす。たとえば、信号処理をする能動要素の制
御である。支持回路の機能には、バイアス印加及びレー
ザ又は発光ダイオードのポンピングのようなエネルギー
の供給が含まれる。
【００２０】全機能光集積回路又は全機能光ＩＣ −
本発明の基本的な対象である全機能光回路又は回路部分
をさす。状況に応じて、そのようなＩＣは全部光学的で
あるか、たとえば電気的ポンピングか付随した光回路へ
のバイアス印加のために設計された光動作を起こさせる
か容易にする電子回路／要素を含んでもよい。
【００２１】デバイス機能層 − これは対象となる光
エネルギーがかなり閉じ込められるデバイスが作製され
る材料層をさす。この層は最初支持表面、すなわち基本
的な基板のそれか、そのような基板により支えられた何
らかの中間層のそれの上に堆積させる。例によっては、
デバイスの構成には作製が、露出されたデバイス−機能
層を残すように除去することを必要とするよう、そのよ
うな支持表面の保持を必要としない。考えられる作製の
変形には、層の屈折率より著しく小さい屈折率を示す材
料で、露出した層の一部又は全部を被覆するように堆積
させることによる裏面からの充填が含まれる。記述の多
くは全機能光ＩＣ内のほとんど又は全部の光要素に対し
て、単一のそのような層に依存する好ましい実施例につ
いてである。
【００２２】能動要素又は能動デバイス − ＩＣの動
作中、適切なフォトン流の何らかの特性を変える手段を
さす。この用語はフォトンエネルギーすなわちレーザを
発生／増幅させるとともに、変調；結合−脱結合；分離
／結合；スイッチング等の他のＩＣ機能を果たすように
設計された両方の要素を含む。
【００２３】“ｎ”− 真空中の屈折率に対する対象と
するフォトンフラックスの特定の波長についての屈折率
である。一般的な用途と同じく、この用語は屈折率のバ
ルクの値すなわち均一な組成と無限の大きさ（フラック
ス−表面相互作用による値の変化を避けるため）をもつ
基体中で測定されたそのような波長についての屈折率が
基準である。
【００２４】“ｎD”− デバイス機能層のバルク屈折率
の平均値である。たとえば“スーパー層”（異なる屈折
率の部分層から成る）中のように、デバイス−機能層が
変化する屈折率をもつような例では、この用語は“平
均”すなわち屈折率ｎD をもつ基体内を与えられた方向
に伝搬するフォトンフラックスが“見る”（観測で説明
される屈折率の値）屈折率を表わす。この場合、屈折率
の値は境界を接する表面／界面の相互作用によっては影
響を受けない。
【００２５】“ｎS” − デバイス機能層を囲む材料／
雰囲気についてのバルク屈折率である。ｎD の定義と同
様、この用語は個々の局部的な屈折率の変動を、重みづ
けして平均化したものを表わしてもよい。λ − 真空
中ではλ0 というように一般的に表される対象とするフ
ォトンフラックスの波長である。λ0 − 真空中で測定
された対象とするフォトンフラックスの波長である。屈
折率コントラスト − 比ｎD／ｎSで表わされるデバイ
ス−機能層と周囲の材料間の屈折率値の比である。
【００２６】一般的記述 本発明の重要点については、要約で述べた。電子ではな
く光子を用いることの利点により、本発明で得られる結
果とともに、従来の努力も誘発された。そのような利点
の１つは、光子は電子と異なり電荷をもたないことであ
る。この事実により、価値のある回路方式が生じた。た
とえば、フォトンフラックスの方向の完全性は、近接さ
せること及び交差させることによってさえ、影響を受け
ない。すなわち、同じ機能のデバイス領域を、２つの定
義された流れによって同時に用いても、影響は受けな
い。
【００２７】本発明の指針は、集積光学のより一般的な
用途とともに、そのような利点を実現する上での主な障
害として認識されているものを克服する。本発明はフォ
トニクスとエレクトロニクスの間の明白な差に関連する
困難を除こうとするものである。考えている寸法、すな
わち微細なデバイスの寸法については、電子的集積回路
の微細化は、原理的には不完全な誘導による好ましくな
い結合によって複雑にはならない。簡単に言うと、電子
的な導電体と絶縁体の間の誘電率の差は、光子に対して
得られる屈折率に比べ、非常に大きい。現在及び現在考
えられる設計則の両方における電子的ＩＣで得られるデ
バイスの寸法とデバイス間隔は、基本的に作製に関連し
ている。設計則はたとえば描画用放射の波長が減少する
ことにより得られる改善されたリソグラフィの規定と、
結像、エッチング除去、制御された拡散等に関する各種
の実際的な問題により、減少してきた。
【００２８】フォトニック回路の微細化は、デバイスと
その周囲の間の境界を通しての著しい電界の浸透により
複雑になる。周囲と言うのは、簡単な伝送線（一般にす
べての各種能動デバイスとともに、受動デバイスにおい
て）である。この考えは、現在の寸法ではエレクトロニ
クスとほとんど類似しないが、クロストークと他の形の
雑音を含む各種の好ましくない結合効果及びエネルギー
損失を生じる。後者は加熱を伴う吸収により更に問題で
ある。
【００２９】本発明の主な特徴は、光信号に対する導波
強度が著しく増すことに依存する。それは要素が作製さ
れる層状材料の性質に両方が関連した２つの原因の結果
である。それらの第１は、次式に従う“１／２λ”の最
大値をもつ層厚Ｔを必要とする。
【００３０】
【数３】
【００３１】この最大許容層厚は、よりこうじモードに
対して大きなクロストーク／損失を減らし、そうでなけ
れば動作周波数を制限するモード分散を減らすため、シ
ングルモード動作を確実にする。ある程度のモード変換
は起こるかもしれないが、機能層厚をこの“１／２λ”
値かそれ以下に制限することによって、その可能性は小
さくなる。多くの目的に対して、好ましい層厚は、“１
／４λ”波長である。
【００３２】
【数４】
【００３３】本発明の特徴である第２の要因は、デバイ
ス機能層と周囲の媒体の間の本質的な屈折率差を必要と
することである。比ｎD／ｎSで表わされるように、本発
明の構造は少なくとも１．５、好ましくはそれ以上のコ
ントラストを必要とする。
【００３４】１．５以上のコントラスト比は実効閉じ込
めに依存する本発明の特徴を更に強めるため、好まし
い。得られる材料、そうでなければ周囲に適する材料に
より、典型的なＩＩＩ−Ｖ及びＩＩ−ＶＩ波長で動作す
るデバイスに対して、そのようなより大きな値が可能に
なる。たとえば、シリコン窒化物を用いると、約１．６
５のコントラストを生じる可能性がある。他の材料も２
又はそれ以上のコントラストを生じる可能性がある。Ｓ
iＯ2で囲むと、２．３のコントラストを生じる可能性が
ある。もちろん、空気、他の気体雰囲気又は真空は、３
を超えるｎD／ｎSの値（たとえば約３．５）を生じる可
能性がある。
【００３５】示唆されるように、ほとんどの条件で、上
で定義した“１／４λ”厚が好ましいことが予測され
る。しかし、幾分薄い層が許容されたり好ましい条件す
らある。そのようなより薄い層は必然的に厚さに依存し
て増加するフォトンフラックスの部分を除外し、層の外
側の消衰電界の振幅が増し、従って結合の可能性は増
す。間隔のより大きなデバイス中にそのような層を作製
することに関して、あるいは局部的な回路領域内で許容
されるそのような間隔のあるデバイスに関して、導波は
第一近似で同じである。“１／４λ”を著しく超えて更
に薄くすることは、かなりの程度作製に対する要求によ
り制限されている。現在考えられ、実際的な考えによる
予測では、約“１／８λ”より薄い層は、用いられる可
能性が小さい。そのような“１／８λ”層は上と同様、
次式で定義される。
【００３６】
【数５】
【００３７】“Ｔ”の値に関する上の議論は、本発明の
基本的な特徴に関するもので、それに従うと、結合は最
小に保たれたまま、間隔は減少することに注意された
い。他の集積回路と同様、結合が望ましい、すなわちた
とえば、結合を起こさせるのに好ましい点がある。同じ
考えは、この望ましい点についても含まれる。フラック
スを除外する適切に分離されたデバイスについての厚さ
の減少は、そのような好ましい結合を意図的に増す。
【００３８】上の式は厳密には導かれていないことが認
識される。たとえば、それらはデバイス機能層とその周
囲の両方において、屈折率の“バルク”値に依存する。
そのようなバルク値は、本発明に従って作られるほとん
どの形のデバイス、すなわち、（完全な表面の平滑さか
らのずれによって更に悪化するフォトンフラックスと表
面／界面間の相互作用による屈折率を変化させるよう
な）屈折率に対する著しい効果を厚さがもつデバイス機
能層について、精密には記述できない。気が付くであろ
うが、更に設計を進めると、必然的に屈折率の不均一さ
を生じる可能性がある。たとえば、“スーパー層構造”
内の層間の変化によるものや、傾斜した屈折率による。
近似を改善はするが、上述のように重みづけをした平均
を用いることは、それ自身では厳密に正しい値は生じな
い。
【００３９】更に研究を行い、実験を行ったところ、上
で示した式は、本発明の指針を、それと同じ利点をもつ
構造に信頼性よく換算できることが十分支持された。従
って、Ｔの“１／４λ”値は設計／作製の目的に対して
便利な尺度であり、式により得られる値は、近似的にの
み正しく、“最適”層に対するＴの精密な厚さの値は、
約±１０％の範囲内で変化しうる。示されたように、上
の規定は本発明が基礎をおく利点を常に生じる。
【００４０】上で述べた層厚による本質的なエネルギー
閉じ込めについての同じ考えは、有用なデバイス特性、
特に小さな横方向寸法が考えられるデバイスに対して当
てはめられる。２０μｍあるいは更に小さな可能性もあ
る最小寸法をもつデバイスは、この性質により効果的に
動作する。約１／３λ0 もの小さな考えられる最小寸法
は、本発明の指針に基本的なエネルギー効率を共有し、
低い必要入力パワーを生じる。このことは増幅とともに
他の能動デバイス及び導波路と他の受動デバイスに対し
て正しい。入力パワーが低くなることの重要な結果は、
たとえば好ましくない加熱を減らすために、分散が下が
ることである。研究により、全機能光ＩＣ部分中に含ま
れるようなデバイスについて平均した＜１００マイクロ
ワット分散／デバイスでのデバイス動作の可能性が確立
した。
【００４１】本発明について、最も顕著な特徴、すなわ
ち上で述べた薄膜全機能デバイス層により生じる高効率
エネルギー閉じ込めに起因する設計の柔軟さと上で述べ
た利点を例に述べる。組成についての記述は、おおよそ
現在関心がもたれているＩＩＩ−Ｖ及びＩＩ−ＶＩを基
礎とする材料に関してである。本発明の指針は任意のそ
のような材料に適用すると有利であるが、そのようには
制限されない。本発明の要件は、他の材料、まだ同定さ
れていない材料に対してすら直接適用される。特に、発
光デバイスを含んで考えると、直接禁制帯の半導体にか
なりの重点がおかれる。多くの考えられる目的に対して
は、間接禁制帯材料が有用で、特定の目的に対しては恐
らく有利である。まだ認識されていない材料特性の変化
により、本発明の方式が使用可能になる可能性がある。
たとえば、シリコンをより広い用途に合うように修正す
る努力である。恐らく、そのバンド構造を変えるか、ド
ーピングにより有用な発光特性を導入することにより、
成功する可能性がある。
【００４２】本発明の製品 対象とする集積光学系について、図を参照しながら述べ
るのが便利である。たとえば機能層厚、屈折率、デバイ
ス寸法、デバイス間隔などについて、上述のような特徴
をもつ全機能光ＩＣ部分は、厚さ及び屈折率コントラス
トについての本発明の規定に従う少なくとも１００の光
要素（少なくとも１００個の光デバイス）を含むと、こ
こでは定義される。全機能光ＩＣ部分は余分の回路を含
んでもよく、本発明の規定に合わない要素を含んでもよ
い。それらは、たとえばより大きな厚さ（定義される１
ないし多くの波長の厚さ）の光要素とともに、非光学系
要素、たとえば電子的要素又は導電体など恐らく支持回
路の働きをするであろうものを含んでもよい。
【００４３】図１−１０は本発明の規定に合う要素及び
部分回路の“カタログ”を示す。
【００４４】図１は全機能光ＩＣ部分に含まれる可能性
の大きい受動又は能動デバイスから成る要素の種類を示
す。具体的な要素１０はフォトンフラックスを輸送し、
リッジ導波路に似ている。それは点１１、１２、１３に
おいて、許容される損失に対して、たとえば５λ0 かそ
れ以下といった比較的急な曲がりをもつ可能性があり、
そのような損失は適切なデバイスが作られる薄いデバイ
ス機能層のために許容されるものである。最適厚、すな
わち“４分の１波長”厚の場合、２λ0、たとえば３μ
ｍの曲率半径では、（λ0＝１．５μｍのフラックス波
長に対し）１％９０゜曲がり以下の損失を生じる。簡単
な受動輸送要素として働く可能性が大きいが、それは別
の機能も果してよい。たとえば、図示されていない手段
による光ポンピングにより、たとえばレーザ組成又は他
の吸収媒体を“白くする”ことにより、挿入損を減らす
ために、導波路１０を飽和させてもよい。そのような光
ポンピングは一定でも、あるいは連続的又は階段状に振
幅が変わってもよい。用語の定義に従うと、図示された
要素は“能動”と分類してもよい。
【００４５】図２は入力信号２０と出力信号２１及び２
２の間の分離又は“ファンアウト”を与える。動作は導
波路２３及び２４間の結合の結果である。考えている材
料及び上述の寸法の場合、５λ0の相互作用長２５に対
して約０．５λ0 の間隔では、入力信号の約４５％がそ
れぞれ出力導波路に入る。同じフラックス分割は、より
小さな間隔及びより短い相互作用長又はそれ以上の間隔
及びより長い相互作用長の場合に得られる。
【００４６】ここ及びその他の所で示したように、許容
しうる小さなデバイス間隔は、薄いデバイス機能層に付
随した著しいエネルギー閉じ込めの顕著な結果である。
必要ならば、間隔又はクロストークは、そのようなデバ
イス間に金属障壁を設けることにより、更に減らしても
よい。たとえば、元素アルミニウムの金属薄膜の価格
は、厳密さを必要とする条件下では、少なくともＩＣ上
の特定の部分においては、問題とならない。
【００４７】図３は導波路３２及び３３中にそれぞれ導
入された入力信号３０及び３１を合わせ、結合された出
力信号３４を発生させる受動要素を示す。両方の導波路
３２及び３３の両方に導入されるフラックス全体の約４
５％を確実にする結合は、シングルモード動作を仮定す
ると、０．５λ0 の間隔で得られる。図２の説明にあっ
たように、約５λ0 の考えている相互作用長は、結合間
隔をそれぞれ減らすか増すことにより、結合強度を保っ
たまま、短くも長くもできる可能性がある。
【００４８】図４の能動デバイスは、概略的に４０と示
された制御手段となる。制御手段はたとえば導波路４１
及び４２間の結合を変調するために、電子的又は光学的
にエネルギーを供給する。結合器として動作すると、入
力信号４３及び４４は制御よく結合され、結合された出
力信号４５を生じる。スプリッタとして動作すると、破
線の矢印４６で示された入力信号は、４７として出てい
く検出可能な信号全体か、あるいは信号４８として出て
いくフラックスの一部を生じる。
【００４９】図５は導波路５２及び５３中の入力信号５
０及び５１間のカップリングを起こさせる。やはり電子
的又は光学的な制御５４により、カップリングを起こさ
せたり除いたり、カップリングから生じる振幅を変調
し、最終的にはスイッチしたり、決められた容量／振幅
をもつ出力信号５５及び５６を生じる。あるいは、“制
御”５４への入力を物理的に省くか、一定にすることに
よって、図示された構造を受動要素として機能するよう
に変えてもよい。能動要素として機能すると、適切な近
年のエレクトロニクスの“オン−オフ”論理と同じく、
制御要素５４は振幅／容量が（５５）＝（５０）及び
（５６）＝（５１）又は（５５）＝（５０）＋（５１）
で（５６）が消去される検出状態を選択的に決められ
る。
【００５０】図５の構造は、入力５０又は５１が５５又
は５６への出力となる２×２のスイッチとしても働く。
そのようなスイッチのアレイは、入力／出力線を増し、
そのためたとえば８×８アレイは、１６×１６スイッチ
構造として働くことができる。この性質をもつアレイ
は、比較的近い時点での用途を見い出すための本発明の
簡単な形を示すものである。たとえば、それらは相互接
続器として働かせてもよい。たとえば、図１０のＩＣ１
０２及び１０３の相互接続として働く特定の全機能光Ｉ
Ｃ部分の代わりとして働く。
【００５１】図６は本発明の光回路に適切に含まれるフ
ォトンフラックス発生デバイスの例である。薄いデバイ
ス機能層から作製されるフラックス閉じ込めを特徴とす
るデバイスは、そのようなデバイスとして、特に価値が
ある。効率の改善又は作製の簡単化は、レーザを含む多
くの種類のそのようなデバイスの結果である。それらに
は、たとえば１９９１年９月１７日に申請された審査中
の米国特許第０７／７６１２０７に述べられているウイ
スパモード構造とともに、しばしばスーパールミネセン
トダイオードと呼ばれる閾値構造以下で動作する空胴構
造が含まれる。改善された導波路パワーが、簡単なＬＥ
Ｄ構造からの放射の広がりを抑え、それらの機能を改善
する。
【００５２】図６はウイスパリングモード構造とは異な
り、単一定在波に依存する簡単な構造を簡潔に示すため
のものである。両方の形の構造は、動作とともに作製に
おいて、いずれもＩＣ用として除外されないという特徴
をもつ。構造６０については、動作はそのように限定は
されないが、レーザ閾値以上で動作させるための直線的
レーザデバイスを基本的な例として述べる。図示される
ように、それは層６２及び６３の間にはさまれた、たと
えば適当なＩＩＩ−Ｖ組成の能動利得領域６１から成
り、３つの層は一緒になって、修正されないかされるか
によって、光ＩＣ部分中のほとんどあるいはすべての他
のデバイス、すなわち能動及び受動デバイスに共通の、
“デバイス機能層”を構成する。
【００５３】詳細に述べる必要はないが、全機能光ＩＣ
に含まれるほとんどあるいはすべてのデバイスの作製の
好ましい実施例は、デバイス機能層がフラックス発生要
素を含むような実施又は作製について考えるのが有用で
あろう。古典的な条件下において、レーザ閾値以下で動
作している他の要素中で、レーザに指定された材料を用
いると、伝送されている信号に対し、許容できない損失
を生じる可能性がある。一つの解は、たとえば拡散によ
り、非レーザ要素材料の禁制帯を変えることである。別
の方式は、全材料の禁制帯と対応しない波長において、
レーザ出力を生じる動作条件に依存する。一例はレーザ
要素から長くなった波長を発生させるための“禁制帯収
縮”を含む。別の例は、非レーザ材料の禁制帯を変える
ために、それにエネルギーを与えることを含む。たとえ
ば、量子井戸状態のエネルギーを変化させるために、電
子的にバイアスすることを含む。更に別の解は、直流電
流バイアスにより、飽和又は“白くする”ことを含む。
【００５４】上で述べたように、周囲の媒体６５を有す
る構造６０の露出された表面間の必要な屈折率コントラ
ストにより、与えられたλの何分の１かの層、たとえば
最大半波長あるいは空胴機能に対して特に価値のある好
ましい４分の１波長に対して、小さな層厚が可能にな
る。電界の閉じ込めが増加することは、レーザ閾値を下
げることに換算される。
【００５５】他の作製方式も満足できるが、構造６０と
境界をもつ断面積が小さくなったペデスタル６４を用い
ることにより、審査中の特許におけるウイスパモード微
細共振器の方式にある層６２及び６３の露出した表面で
の屈折率コントラストを最大にするために、空気又は真
空境界が可能になる。強い導波特性により、ファブリ−
ペロ−構造（構造６０）に必要な反射率が緩和される。
説明のため、反射率はたとえば通常の分布ブラッグ反射
器間隔、たとえば半波長間隔で配置された溝６７で構成
されるような分布帰還領域６６により得られる。そのよ
うな構造の設計則はよく知られている。たとえば、ジー
・ピー・アグラウォール（Ｇ．Ｐ．Ａgrawal）及びエヌ
・ケイ・デュタ（Ｎ．Ｋ．Ｄutta）長波長半導体レー
ザ、ファン・ノストランド・アンド・レインホルド社、
ニューヨーク（１９８６）を参照のこと。考えているＩ
Ｃ寸法に対するレーザ動作に十分な反射率は、たとえば
ＳｉＯ2 上のような図示されていない間にはさまれた低
屈折率材料の外部表面上の、たとえば金又はアルミニウ
ムの被膜のような図示されていない金属被膜を必要と
し、依存することがある。そのような被膜は数波長の構
造の長さを囲む（それにより９０＋％の反射率が可能に
なる）。図６の構造はまた、レーザ閾値以下で動作する
要素を表わすものである。すなわち、各種の回路機能
が、スーパールミネセントダイオードの使用によって得
られ、作製の価格が下がり、歩留りが上がる。フラック
ス発生構造は信号回路と同じ平面に含まれるか、隣接し
た面上に含まれるたとえば別のレーザ構造によって光ポ
ンピングしてもよく、図示されていない手段により、電
気的にポンピングすることに基づいてもよい。矢印６８
により表わされたような放射は、通常の端面発光構造と
同様の結合を容易にするため、同じ面にあってもよい。
【００５６】図７は本発明の光ＩＣ部分の一部を概略的
に示す。示されているのは、たとえば導波路７１及び７
２にはさまれた図６のレーザ６０であるフラックス発生
器７０である。示された例では、導波路７２とフラック
ス発生器７０間の結合強さは、制御７３により制御さ
れ、それは結合強さを変調してもよく、あるいは制御信
号がない時、発生器から導波路の結合をはずしてもよ
い。図は多くの変形も表わしている。たとえば、フラッ
クスの流動方向を変えてもよく、制御要素の数を減らし
たり増したりといった装置的変形をしてもよい。
【００５７】図８は分離された領域８３において、要素
８０及び８２をカップリングさせるための効果的手段を
最も重要なものとして断面図で示している。図示された
構造において、要素８０及び８２は単一のデバイス機能
層をエッチングで分離することにより作られ、対象とす
るフォトンフラックスの中心波長に対し、約２λ0 の間
隔で、分離領域８３を生じた。シリカ又は他の封入材８
７で領域８３をブリッジさせることは、化学気相堆積に
より行うと便利である。あるいは、特定の対象に適合す
る材料が得られるとすると、そのようなブリッジ形成は
適当な自由エネルギー／粘性特性をもつ材料で湿らせ、
続いて硬化又は溶媒の除去により行ってもよい。材料と
ともに適当なブリッジ形成プロセスには十分な種類があ
り、ペデスタル８４及び８５と基板８６の組成を選択す
るのにほとんど制約は加わらない。
【００５８】シリカはたとえば透明性といった動作上の
特性とともに、たとえば低堆積温度といった作製上の特
性をもった一連の材料の中の例である。問題となる寸法
は、デバイス機能層と同程度の厚さあるいはそうでなけ
れば特別の用途に役立つであろう厚さである可能性があ
る。ＣＶＤで生成する場合のように、この問題となる領
域の特性が、導波路８０及び８２の相対する表面から離
れた位置で最小値をもつように断面が変化する必要があ
るようなもので、かついずれの場合もフラックスの移動
方向に対して比較的短いため、寸法は比較的厳密さを必
要としない。
【００５９】本発明に従う薄い機能デバイス層を用いる
ことは、必要な結合効率に衝撃を与える。必要な精度、
特に共通平面上の要素の配置については、図８に示され
るような方式によって向上する。示されたブリッジ結合
は、共通の層から作製されたようなデバイスの共通の平
坦さの点で有利である。しかし、考えている回路は、異
なる面上のデバイスによるのが最善である。消衰電界結
合の本質は、共通の平面性を必要とせず、十分な接近の
みを必要とする。要件は約１／２λ0 の間隔で一般に満
たされる。面と面との結合は、単にそのような近接によ
って達成されるか、あるいは図示されたものと類似の垂
直なブリッジを生じるように、たとえばＳｉＯ2 のよう
な適切に配置された堆積材料により得られる。
【００６０】図９はＩＣ領域すなわち全機能光ＩＣの一
部を概略的に表わす。それは１９９１年９月１７日に申
請された審査中の特許第０７／７６１２０７号に一般的
に述べられているたとえばディスク共振器９０のような
ウイスパモード共振器を用いることによって実施しても
よい。示された例の場合、（受動要素として描かれた）
輸送要素９２中に導入された入力信号９１は、ディスク
９０中に誘導される。制御９３はそのような誘導された
フラックスに対し、結合−脱結合機能を果たすか、ある
いはたとえば動作を中断するか振幅を変化させるといっ
たように、共振器９０の動作を制御してもよい。共振器
９０は図示されていない電気的又は光学的手段によって
ポンピングしてもよい。共振器９０からの放出された信
号の導入は、制御９６及び９７により決まるように、導
波路９４及び９５のいずれか又は両方の中へとなり、そ
れによって出力位置９８及び９９のいずれか又は両方に
出力信号を生じる。
【００６１】他の含まれるＩＣ部分中とともに、図９の
構造中の制御要素は、たとえば量子閉じ込めシュタルク
効果、飽和吸収、位相空間飽和といった各種の機構に依
存する可能性がある。
【００６２】透視図で示され、説明を容易にするため分
離された部分をもつ図１０の装置は、本発明の指針を近
い将来用いる可能性のあるものを表わす。より一般的な
用途をもつが、基板１０１上に作られた適切な全機能光
ＩＣ部分１００は、それ自身本発明の他の全機能光ＩＣ
部分と共通のデバイス機能層の一部で、高性能電子的集
積回路１０２及び１０３間の“スマート”相互接続とし
て働く。光ＩＣ部分１００の詳細については他で述べ、
ここでは示さない。簡単に言うと、描かれた例は、結合
点１０５において、図示されていない光ファイバに、導
波路１０４を結合させる。入力信号の光バス１０７の導
波路１０６への選択的結合は、接続点１０８における図
示されていない手段により、光スイッチ論理により制御
される。ＩＣ１０２及び１０３の下側にある図示されて
いない接触と界面をなすよう設計された光から電気への
変換は、要素１０９及び１１０で行われる。光スイッチ
論理により決められるような光路の選択を伴うことが多
いファンアウトは、１１１又は１１２のような要素の動
作によって決まる。
【００６３】電子的ＩＣに光学的ＩＣを全面的に置き換
えることは近い将来はありそうもないが、図１０の“ス
マート相互接続”は早期に用いられることを示唆してい
る。図１０の１０２及び１０３のような電子的ＩＣの電
子的な相互接続は、約１gbit／sec のクロック速度で可
能ではあるが、より高速では問題がある。動作を制約す
る反射を避けるため、たとえば約５０オームの抵抗が短
絡するのに必要と現在仮定されるのは、確実に約１０gb
itである。動作の制約は約ミリメートルオーダーを通常
の相互接続長が超えた場合の容量により制限される損失
の結果である。光回路には同様の制限はない。
【００６４】作 製 全機能光ＩＣ及び上で述べたその補助装置の作製には、
周知の作製技術が適している。“光”波長における動作
は、組成的な精密さ及び均一性とともに、表面／界面の
平滑さという点で、要件を課す。指針の全機能光ＩＣに
共通な１／２λ層厚の最大値ということが、更に制約を
課す。そのような要件を満たすことは、詳細に考える
と、以下のような特性に関する注意が必要になる。たと
えば、エッチングをする表面、加工すべき結晶表面に空
孔が無いこと、プロセスの他の適切な条件とともに、温
度の均一性等に関する結晶性などである。
【００６５】幸いにも、有機金属化学気相堆積及び分子
ビームエピタキシーなどのエピタキシャル成長技術は、
これまで研究してきた数百オングストローム及びそれ以
上の厚さの層を信頼性よく成長させることが可能なまで
に十分進んでいる。
【００６６】図１１ａないし図１１ｆは本発明の高閉じ
込め光微細構造の作製に有用な典型的なプロセス工程を
示す。示された具体的な構造は、λ0 ＝１．５５μｍに
おける動作に適している。それは、ＩｎＰ基板１２０上
の２００オングストロームＩｎＧａＡｓＰ層１２１、１
００オングストロームＩｎＧａＡｓ層１２２、２００オ
ングストロームＩｎＧａＡｓＰ層１２３及び２００オン
グストロームＩｎＰ層１２４をＭＯＣＶＤ成長させるこ
とを含む。
【００６７】図１１ａにおいて、１２００オングストロ
ーム厚のＳｉ3Ｎ4層１２５はＭＯＣＶＤにより堆積させ
てある。
【００６８】図１１ｂにおいて、層１２５はマスク領域
１２６を生じるように、フォトリソグラフィでパターン
形成されている。１ないし数波長（真空中で測定された
ものλ0 を基準にして）オーダーの必要な寸法は、短波
長描画放射に依存する。たとえば、１９９０年３月２３
日に申請された審査中の米国特許出願番号第０７／４９
８，１７９号に述べられている加速された電子放射か、
１９９１年７月１１日に申請された米国特許出願番号第
０７／７３２，５５９号に述べられている環状電場走査
Ｘ線である。
【００６９】図１１ｃにおいて、層構造は図示された深
さまで、電子サイクロトロン共鳴によりエッチングさ
れ、最上部が部分的にエッチングにより規定されたＩｎ
Ｐの柱状基体が生じている。
【００７０】図１１ｄにおいて、マスクＳｉ3Ｎ4層はＣ
Ｆ4ぷらずまなかで除去されている。 ＨＣｌ水溶液を
用いた領域１２０の選択的な化学エッチングにより、図
１１ｃに示されるような断面が減少した円柱１２７が生
じている。
【００７１】図１１ｆは化学気相堆積で成長させたＳｉ
Ｏ2の０.５μｍ厚の層である封入層１２８を最終的な要
素として示す。この図は自由表面キャリヤ再結合を減ら
すよう設計された一般的な方式の例を示す。層１２８は
しばしば“再成長”層と呼ばれる例として働く。すなわ
ち、成長させる自由表面に比べ、禁制帯の大きなエピタ
キシャル成長させた材料の層である。高品質のエピタキ
シャル成長は、欠陥又は他の再結合中心での再結合を実
効的に避ける働きをする。そのような再成長層の禁制帯
が大きくなると、キャリヤの浸透が妨げられ、生じる新
しい自由表面の同様の再結合の問題が避けられる。材料
層の例である層１２１−１２３より大きな禁制帯を示す
ＳｉＯ2は、たとえば空孔の可能性を最小にするような
十分なエピタキシャルの品質をもつなら、役に立つ可能
性がある。良好なエピタキシャル成長は、必要な結晶学
的な整合性を仮定すると、エッチ清浄化により確実にな
る清浄な基板表面によって増進される。
【００７２】図１−９は本発明の指針に従う全機能光学
回路中に組込むと有用である構造の例を示す。一般に説
明は具体例を挙げて行なう。本発明の要件に合うデバイ
スの特性により、より一般的な点で設計は柔軟性を増
す。たとえば、面に垂直及び平行の両方のデバイス寸法
及び本発明の指針に基本的な高エネルギーの閉じ込め
は、一般に有利である。たとえば同時に処理すべき信号
又は信号の一部の到達が異なるといった“ずれ”の問題
は、確実に到達するように、遅らすか進ませるよう信号
要素の大きさか形を変えることにより、対応できる。信
号と表面／界面による実効的な屈折率の各種変化は、実
現のための１つの方式である。図１を参照しながら述べ
る導波路の曲りによる光路長の曲りは、もう１つの方式
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】信号輸送を含む目的を果たすための要素の平面
図である。受動でも能動でも、作製される薄く、高屈折
率コントラスト層の強い誘導パワーにより、小さな曲率
半径をもつ小型の曲がりを可能にする本指針の利点を、
それは示している。
【図２】入射する信号を分離し、２つの導波路に伝搬さ
せる受動要素を示す。
【図３】物理的には図２のものと同様であるか同一です
らあるが、２つの入力信号流を組合せるための要素を示
す。
【図４】図２又は図３のものと類似で、前者は分離し、
後者は組合せるのに加え、動作中スイッチングを制御す
るか、相対的な振幅を変化させる構造の平面図である。
示された構造は従って、本発明の指針においては、用途
に従うと“能動”といってもよい。
【図５】２つの隣接した線間を結合させるか結合をはず
すための受動又は能動である構造の平面図である。
【図６】フォトンフラックス発生器の実施例を示す透視
図である。含まれる構造で特に重要なのは、薄膜レーザ
で、それは他の実施例にも共通の屈折率コントラストと
ともに、そのような薄さのために、信号閉じ込めが生
じ、詳細な記述で述べるような、たとえば寸法又は低雑
音といった動作を生じるとともに、低レーザ閾値が可能
になる。
【図７】入力／出力線及び結合／脱結合制御手段と組合
された図６のようなレーザを実現するＩＣ領域を概略的
に描く平面図である。
【図８】後に述べるように、要素から要素へのブリッジ
により増強される隣接した要素の結合−消衰電界結合を
生ずるための構造の断面図である。
【図９】ウイスパモード共振器から発生する信号のよう
なものの、振幅又は線選択の一方又は両方を選択的に結
合させるためのＩＣの一部を概略的に示す図である。
【図１０】対象とする光ＩＣの一部が、電子的ＩＣ／そ
の部分間の“スマート”相互接続として働く本発明の一
例の透視図である。
【図１１】図（ａ）ないし（ｆ）の６個の断面図から成
り、本発明の構造を作製するのに適した一連のプロセス
工程を示す図である。
【符号の説明】
１０ 導波路 １１ 点 １２ 点 １３ 点 ２０ 入力信号 ２１ 出力信号 ２２ 出力信号 ２３ 導波路 ２４ 導波路 ２５ 相互作用長 ３０ 入力信号 ３１ 入力信号 ３２ 導波路 ３３ 導波路 ３４ 出力信号 ４０ 制御手段 ４１ 導波路 ４２ 導波路 ４３ 入力信号 ４４ 入力信号 ４５ 出力信号 ４６ 矢印 ４７ 信号 ４８ 信号 ５０ 入力信号 ５１ 入力信号 ５２ 導波路 ５３ 導波路 ５４ 制御 ５５ 出力信号 ５６ 出力信号 ６０ 構造、レーザ ６１ 能動利得領域６２ 層 ６３ 層 ６４ ペデスタル ６５ 媒体 ６６ 分布帰還領域 ６７ 溝 ６８ 矢印 ７０ フラックス発生器 ７１ 導波路 ７２ 導波路 ７３ 制御 ８０ 要素、導波路 ８２ 要素、導波路 ８３ 領域、分離領域 ８４ ペデスタル ８５ ペデスタル ８６ 基板 ８７ 封入材 ９０ ディスク共振器、ディスク、共振器 ９１ 入力信号 ９２ 輸送要素 ９３ 制御 ９４ 導波路 ９５ 導波路 ９６ 制御 ９７ 制御 ９８ 出力信号 ９９ 出力信号 １００ 光ＩＣ部分 １０１ 基板 １０２ ＩＣ １０３ ＩＣ １０４ 導波路 １０５ 結合点 １０６ 導波路 １０７ 光バス １０８ 接続点 １０９ 要素 １１０ 要素 １１１ 要素 １１２ 要素 １２０ 領域 １２１ ＩｎＧａＡｓＰ層 １２２ ＩｎＧａＡｓ層 １２３ ＩｎＧａＡｓＰ層 １２４ ＩｎＰ層 １２５ Ｓｉ3Ｎ4 １２６ マスク領域 １２７ 円柱 １２８ 封入層、層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アンソニー フレデリック ジョン レヴ ィ アメリカ合衆国 07901 ニュージャーシ ィ，サミット，パール ストリート ７ (72)発明者 サムエル レバート マッコール アメリカ合衆国 07928 ニュージャーシ ィ，カザム，ヴァレー ヴュー ロード 24 (72)発明者 リチャード エリオット スラッシャー アメリカ合衆国 08833 ニュージャーシ ィ，レバノン，ギネア ホロー ロード 202

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 真空中で測定したとき、０．３μｍない
    し１０．０μｍの範囲の波長内のフォトンを用いること
    により動作するよう設計された集積回路チップ部分を含
    み、前記部分は“能動”デバイスを含む基板支持フォト
    ニックデバイスを含む全機能光集積回路を有し、能動デ
    バイスはそのようなフォトンの何らかの特性を、一時的
    に修正用エネルギーに応答するよう修正するためのもの
    で、そのようなフォトンに対する伝送路として働くデバ
    イスを含む“受動”デバイスも光集積回路に含まれ、前
    記伝送路の少なくともいくつかは、能動デバイスと光学
    的に結合され、前記全機能光集積回路は輸送、方向変
    向、結合、分離、変調及び増幅から成るグループから選
    択された少なくとも３つのフォトン支配機能を果たし、
    前記集積回路には、前記部分からのフォトンエネルギー
    を結合するための出力手段が備わっている装置におい
    て、 前記能動デバイス及び受動デバイスの少なくとも５０％
    は伝送路方向の面に対して垂直に測定した場合、 Ｔ ＝ 機能層厚 λD＝ 真空中で測定した波長 ｎD＝ 機能層のバルク屈折率の平均値 ｎS＝ 前記デバイスの周囲の材料のバルク屈折率の平均
    値 とするとき式 【数１】 に従う数学的な値の機能層厚を有し、 ｎD／ｎSの数式で定義される屈折率コントラストは少な
    くとも１.５に等しく、 それによって好ましくない信
    号のカップリングの許容された最小値と一致するデバイ
    ス間の微小な間隔が可能になることを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 前記全機能光集積回路は前記厚さＴと前
    記屈折率コントラストをもつ全体で少なくとも１００の
    能動及び受動デバイスを含む請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記能動デバイスの本質的にすべては、
    前記厚さＴ及び前記屈折率コントラストｎD／ｎSを有す
    る受動デバイスと、少なくとも１度光学的に結合された
    請求項２記載の装置。
  4. 【請求項４】 厚さＴ及び屈折率コントラストｎD／ｎS
    をもつ前記受動デバイスは、伝送路から成る請求項３記
    載の装置。
  5. 【請求項５】 デバイス間の達成される最小間隔は＜１
    ０λ0である請求項１記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記全機能光集積回路中の本質的にすべ
    ての隣接した平行な接続されていない伝送路は、そのよ
    うな平行領域内のそれらの長さの本質的な部分にわたっ
    て、前記達成可能な間隔だけ離れている請求項５記載の
    装置。
  7. 【請求項７】 Ｔの数値は 【数２】 の範囲内にある請求項１記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記屈折率コントラストｎD／ｎSは少な
    くとも０．７に等しい請求項１記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記屈折率コントラストｎD／ｎSは少な
    くとも２．０に等しい請求項１記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記屈折率コントラストｎD／ｎSは少
    なくとも３．０に等しい請求項１記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記部分は前記全機能集積回路に加
    え、追加された回路を含む請求項１記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記追加された回路は、前記少なくと
    も５０％とは異なるデバイスを含む請求項１１記載の装
    置。
  13. 【請求項１３】 前記追加された回路は、Ｔの前記数値
    より大きな機能層厚を有するデバイスを含む請求項１２
    記載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記追加された回路は、電子デバイス
    を含む請求項１２記載の装置。
  15. 【請求項１５】 前記追加された回路は、前記全機能光
    集積回路に対する支持回路から本質的に成る請求項１４
    記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記支持回路は前記全機能光集積回路
    に含まれる少なくとも１個のデバイスを、電気的にバイ
    アスする請求項１５記載の装置。
  17. 【請求項１７】 電気的バイアスはバイアスされたデバ
    イスの屈折率ｎD を変える請求項１６記載の装置。
  18. 【請求項１８】 バイアスされるデバイスは能動で、動
    作中バイアス条件を一時的に変更するための手段が備わ
    っている請求項１７記載の装置。
  19. 【請求項１９】 前記全機能光集積回路は、光発生デバ
    イスを含み、前記追加された回路は、そのような光発生
    デバイスにエネルギーを与える請求項１４記載の装置。
  20. 【請求項２０】 前記光発生デバイスはレーザで、エネ
    ルギーの供給はレーザ閾値以上にレーザを置くのに十分
    である請求項１９記載の装置。
  21. 【請求項２１】 前記全機能光集積回路は少なくとも１
    つの電子的集積回路と接続される請求項１記載の装置。
  22. 【請求項２２】 前記全機能光集積回路は少なくとも２
    つの電子的集積回路と接続される請求項２１記載の装
    置。
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